CN110616413A - 一种基于原子层沉积工艺的大面积二硫化铪薄膜制备方法 - Google Patents

一种基于原子层沉积工艺的大面积二硫化铪薄膜制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于原子层沉积工艺的大面积二硫化铪薄膜制备方法。该方法主要包括方法如下步骤：1)将衬底放入原子层沉积系统反应腔；2)将原子层沉积系统反应腔抽取真空；3)向原子层沉积系统反应腔交替通入前驱体，使之在衬底表面发生自限性化学反应并生长大面积二硫化铪薄膜。本发明具有所涉及的一种基于原子层沉积工艺的大面积二硫化铪薄膜制备方法，能够实现所制备的二维二硫化铪薄膜具有原子级厚度精确可控、大面积、均匀等优点；且反应温度较低，能兼容柔性衬底，并且能与后序的光刻等半导体工艺结合实现所制备薄膜的图案化。

Description

一种基于原子层沉积工艺的大面积二硫化铪薄膜制备方法
技术领域：
本发明涉及新型半导体材料领域，特别是涉及一种基于原子层沉积工艺的大面积二硫化铪薄膜制备方法。
背景技术：
作为过渡金属硫族化合物(TMDs)家族的重要成员，IVB族过渡金属硫族化合物(IVB-TMDs)中的二硫化铪(HfS2)除了具备TMDs的优点之外，还拥有更多优异的性能。首先，理论计算表明HfS2在室温下拥有高达1833 cm2V-1s-1的载流子迁移率和650μA/μm的薄层电流密度。其次，单层HfS2的理论计算带隙仅为1.23eV，较窄的带隙使其非常适用于具有宽光谱响应的光电子器件；再者，类似于硅工艺中通过氧化形成SiO2绝缘层，HfS2表面也可以形成高质量的超薄高k介电薄膜HfO2，避免了MoS2等二维材料由于表面缺乏悬挂键或成核点所导致的难以沉积高质量介电薄膜的问题，从而更容易制备高性能的电子器件。目前，国内外学者关于HfS2的制备和在光电晶体管、光电探测器、场效应晶体管等领域的应用研究已经取得了一系列成果。但是，目前制备原子级厚度的HfS2的方法主要局限于机械剥离法、液相剥离法和化学气相沉积法等。这些方法还存在诸多问题，如：与后序的器件制备工艺兼容性差、所制备的HfS2尺寸较小、厚度难以精确控制、表面容易改性或者残留杂质缺陷、制备效率低等，因而不适用于制备大面积、均匀、厚度精确可控的二维HfS2薄膜，进而限制了HfS2在高性能电子器件和光电子器件领域的应用。因此，如何在较低温度下制备出大面积、均匀、厚度精确可控的二维HfS2薄膜成为在研究开发基于HfS2的高性能电子及光电子器件过程中所急需解决的关键问题。
发明内容：
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于原子层沉积工艺的大面积二硫化铪薄膜制备方法，旨在克服现有原子级二硫化铪薄膜制备过程中存在的问题，从而获得大面积、均匀、厚度精确可控的原子级厚度的新型二维半导体材料二硫化铪。
为了实现上述目的，本发明提出了一种一种基于原子层沉积工艺的大面积二硫化铪薄膜制备方法，其特征在于：所述的方法包括如下步骤：1)将衬底放入原子层沉积系统反应腔；2)将原子层沉积系统反应腔抽取真空；3)向原子层沉积系统反应腔交替通入前驱体，使之在衬底表面发生自限性化学反应并生长大面积二硫化铪薄膜。
作为优选，其特征在于：所述的衬底为表面光滑的氧化硅片、蓝宝石、云母、硅、锗中的一种或数种；所述的衬底为直径为4寸或4寸以下的整片或碎片。
作为优选，其特征在于：通入前驱体之前，原子层沉积系统反应腔的真空度抽至10-3Pa以下。
作为优选，其特征在于：通入前驱体之前，原子层沉积系统反应腔的温度设置为80-400℃。
作为优选，其特征在于：以纯度为99.999％的高纯氮气作为载气和清洗气体；在一个生长循环内，1)首先向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入铪前驱体并使之吸附于衬底表面，2)其次向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入高纯氮气以清洗过量的铪前驱体和反应副产物，3)接着向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入硫前驱体并使之与吸附于衬底表面的铪前驱体发生自限性反应并生成二硫化铪原子层，4)最后向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入高纯氮气以清洗过量的硫前驱体和反应副产物。
作为优选，其特征在于：铪前驱体为四(二乙胺基)铪或四(二甲酰胺)铪；铪前驱体温度设置为100℃-120℃；铪前驱体脉冲时间为0.4秒，前驱体载气流量为120sccm。
作为优选，其特征在于：硫前驱体为六甲基二硅硫烷；硫前驱体温度设置为室温，前驱体脉冲时间为0.8；硫前驱体载气流量为120sccm。
作为优选，其特征在于：清洗气体脉冲时间为1秒，流量为500sccm。
作为优选，其特征在于；原子层沉积制备大面积二硫化铪薄膜的所需生长循环次数为20-2000次。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明中，采用原子层沉积工艺制备原子级厚度二维二硫化铪薄膜，原子层沉积工艺具有自限性的特点，实现所制备的二维二硫化铪薄膜具有原子级厚度精确可控、大面积、均匀等优点。
2.本发明中，采用原子层沉积工艺制备原子级厚度二维二硫化铪薄膜，原子层沉积工艺所需的反应温度较低，能兼容柔性衬底，并且能与后序的光刻等半导体工艺结合实现所制备薄膜的图案化。
具体实施方式：
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加通俗易懂，下面结合具体实施方式对本发明做详细的说明。
实施例1：
将经过清洗的4寸氧化硅片放入原子层沉积沉积系统的反应腔内；将原子层沉积沉积系统的反应腔抽取真空至5×10-4Pa，并将反应腔温度设置为200℃；采用四(二乙胺基)铪作为铪前驱体，并将其温度设置为100℃，采用高纯氩气作为其前驱体，载气流量为120sccm；采用六甲基二硅硫烷作为硫前驱体，采用高纯氩气作为其前驱体，载气流量为120sccm；采用高纯氩气作为清洗气体，清洗气体流量为500sccm。一个反应循环中，步骤如下：1)首先向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入铪前驱体并使之吸附于衬底表面，脉冲时间为0.4秒，2)其次向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入高纯氮气以清洗过量的铪前驱体和反应副产物，脉冲时间为1秒，3)接着向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入硫前驱体并使之与吸附于衬底表面的铪前驱体发生自限性反应并生成二硫化铪原子层，脉冲时间为0.8秒，4)最后向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入高纯氮气以清洗过量的硫前驱体和反应副产物，脉冲时间为1秒。本实施例所需反应循环次数为50次。
实施例2：
将经过清洗的一片面积为2×2cm2的蓝宝石衬底和一片1×2cm2的云母衬底放入原子层沉积沉积系统的反应腔内；将原子层沉积沉积系统的反应腔抽取真空至9×10-4Pa，并将反应腔温度设置为250℃；采用四(二乙胺基)铪作为铪前驱体，并将其温度设置为120℃，采用高纯氩气作为其前驱体，载气流量为120sccm；采用六甲基二硅硫烷作为硫前驱体，采用高纯氩气作为其前驱体，载气流量为120sccm；采用高纯氩气作为清洗气体，清洗气体流量为500sccm。一个反应循环中，步骤如下：1)首先向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入铪前驱体并使之吸附于衬底表面，脉冲时间为0.4秒，2)其次向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入高纯氮气以清洗过量的铪前驱体和反应副产物，脉冲时间为1秒，3)接着向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入硫前驱体并使之与吸附于衬底表面的铪前驱体发生自限性反应并生成二硫化铪原子层，脉冲时间为0.8秒，4)最后向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入高纯氮气以清洗过量的硫前驱体和反应副产物，脉冲时间为1秒。本实施例所需反应循环次数为100次。
实施例3：
将经过清洗的一片4寸的锗片放入原子层沉积沉积系统的反应腔内；将原子层沉积沉积系统的反应腔抽取真空至8×10-4Pa，并将反应腔温度设置为200℃；采用四(二甲酰胺)铪作为铪前驱体，并将其温度设置为110℃，采用高纯氩气作为其前驱体，载气流量为120sccm；采用六甲基二硅硫烷作为硫前驱体，采用高纯氩气作为其前驱体，载气流量为120sccm；采用高纯氩气作为清洗气体，清洗气体流量为500sccm。一个反应循环中，步骤如下：1)首先向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入铪前驱体并使之吸附于衬底表面，脉冲时间为0.4秒，2)其次向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入高纯氮气以清洗过量的铪前驱体和反应副产物，脉冲时间为1秒，3)接着向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入硫前驱体并使之与吸附于衬底表面的铪前驱体发生自限性反应并生成二硫化铪原子层，脉冲时间为0.8秒，4)最后向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入高纯氮气以清洗过量的硫前驱体和反应副产物，脉冲时间为1秒。本实施例所需反应循环次数为200次。

Claims (9)

1.一种基于原子层沉积工艺的大面积二硫化铪薄膜制备方法，其特征在于：所述的方法包括如下步骤：1)将衬底放入原子层沉积系统反应腔；2)将原子层沉积系统反应腔抽取真空；3)向原子层沉积系统反应腔交替通入前驱体，使之在衬底表面发生自限性化学反应并生长大面积二硫化铪薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于原子层沉积工艺的大面积二硫化铪薄膜制备方法，其特征在于：所述的衬底为表面光滑的氧化硅片、蓝宝石、云母、硅、锗中的一种或数种；所述的衬底为直径为4寸或4寸以下的整片或碎片。
3.根据权利要求1所述的一种基于原子层沉积工艺的大面积二硫化铪薄膜制备方法，其特征在于：通入前驱体之前，原子层沉积系统反应腔的真空度抽至10-3Pa以下。
4.根据权利要求1所述的一种基于原子层沉积工艺的大面积二硫化铪薄膜制备方法，其特征在于：通入前驱体之前，原子层沉积系统反应腔的温度设置为80-400℃。
5.根据权利要求1所述的一种基于原子层沉积工艺的大面积二硫化铪薄膜制备方法，其特征在于：以纯度为99.999％的高纯氮气作为载气和清洗气体；在一个生长循环内，1)首先向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入铪前驱体并使之吸附于衬底表面，2)其次向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入高纯氮气以清洗过量的铪前驱体和反应副产物，3)接着向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入硫前驱体并使之与吸附于衬底表面的铪前驱体发生自限性反应并生成二硫化铪原子层，4)最后向原子层沉积系统的反应腔内脉冲通入高纯氮气以清洗过量的硫前驱体和反应副产物。
6.根据权利要求5所述的一个生长循环内，其特征在于：铪前驱体为四(二乙胺基)铪或四(二甲酰胺)铪；铪前驱体温度设置为100℃-120℃；铪前驱体脉冲时间为0.4秒，前驱体载气流量为120sccm。
7.根据权利要求5所述的一个生长循环内，其特征在于：硫前驱体为六甲基二硅硫烷；硫前驱体温度设置为室温，前驱体脉冲时间为0.8；硫前驱体载气流量为120sccm。
8.根据权利要求5所述的一个生长循环内，其特征在于：清洗气体脉冲时间为1秒，流量为500sccm。
9.根据权利要求1所述的一种基于原子层沉积工艺的大面积二硫化铪薄膜制备方法，其特征在于：原子层沉积制备大面积二硫化铪薄膜的所需生长循环次数为20-2000次。
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